CN103794985A - 半导体装置及其制造方法 - Google Patents

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M.里克特
L.乔诺马兹
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Abstract

本发明涉及至少在光学应用中使用的半导体装置（1）及其制造方法。该半导体装置（1）包括：至少一个实质上以光学无源模式可操作的光学无源组件（2）；以及至少一种光学有源材料（6），包括实质上以光学有源模式可操作的至少一种材料，其中：光学无源组件（2）图案化为包括具有至少一个预限定结构（5）的至少一个光子结构（4），并且光学有源材料（6）形成在预限定结构（5）中以在至少一个横向平面中与光学无源组件（2）实质上自对准。

Description

半导体装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及在光学应用中使用的半导体装置及其制造方法。
背景技术
为了满足未来计算系统的需要，可能需要更高速度和更高能效的电互连的替代，例如诸如，芯片级光学互连和芯片对芯片光学互连。集成光学，特别是硅光子学，可适当地满足这样的需求。为了有成本效益地批量制造具有适合于用于高速装置和/应用中的执行性能的基于CMOS的芯片，要提供具有兼容光源的集成光学互连。在此情况下的问题是，由于硅的间接带隙，没有基于硅的光源是可利用的和/或可被使用的。已经通过采用基于III-V半导体材料系统设法解决该问题，基于III-V半导体材料系统典型地提供为结合硅电子学和更一般的基于硅平台的集成光学使用的光源。然而，与此相关的问题由III-V化合物半导体和硅之间的晶格失配造成，在复杂硅平台上直接的单片集成基于III-V的光源的变得复杂。在前面提出的方法中，为了便于这样的集成，采用接合的基于III-V的光源或者毯覆增益材料。这样，在将预处理的基于III-V的光源接合到给定的波导结构时，实现相对高精度对准可能是耗时的和有挑战，特别是因为对准精度可能受到接合工艺的进一步限制。为了在预处理的硅基波导上接合毯覆式的III-V材料，可采用设置在硅晶片上的对准标记，其设置用于III-V层的图案化中涉及的光刻。因为基于诸如III-V材料化合物半导体系统的光源相对于诸如硅波导和/或共振器的对准精度可能相当取决于光刻精度，所以对于一定的应用这样的对准精度可能不是不足够的。
现在参考Appl.Phys.Lett.,vol.91,021114,2007中出版的，作者为Li等人，标题为“Defect reduction of GaAs epitaxy on Si（001）using selective aspectratio trapping”的文件，其中报道了采用宽高比限制在硅上氧化物沟槽中的III-V外延。还参考J.Electrochem.Soc.156,H574,2009中出版的，作者为Li等人，标题为“Monolithic integration of GaAs/InGaAs lasers on virtual Gesubstrates via aspect-ratio trapping”的文件，其中示例了凭借宽高比诱捕和外延横向附晶，GaAs/InGaAs量子阱层通过金属有机化学气相沉积形成在硅上的实质Ge基板上。这些文件分别有关于设法解决与在硅上制造包括诸如III-V材料系统的化合物半导体材料系统的结构相关的其它已知的问题，这些问题可导致其中集成了这样的结构的装置的性能劣化。这样的问题涉及III/V材料系统和硅之间的晶格失配和热系数的差别。然而，这些文件中的任何一个都没有设法解决上面讨论的与化合物半导体系统对准相关的问题，该化合物半导体系统与光学结构（诸如波导，更具体的，光子结构）单片集成且光学耦合。
在Appl.Phys.Lett.,vol.97,163501,2010中出版的，作者为Bjoerk等人，标题为“Si-InAs heterojunction Esaki tunnel diodes with high current densities”的文件中，讨论了硅上的III-V纳米线生长。没有解决有关于诸如波导和/或光子结构的光学构件单片集成和光学耦合的化合物半导体系统的对准相关的问题和/或议题。
参见Optics Express,vol.14,issue20,pp.9203-9210,2006中出版的，作者为Fang等人，标题为“Electrically pumped hybrid AlGaInAs-Siliconevanescent laser”的文件以及Optics Express,vol.15,issue11,pp.6744-6749,2007中出版的，作者为Van Campenhout等人，标题为“Electrically pumpedInP-based microdisk lasers integrated with a nanophotonic silicon-on-insulatorwaveguide circuit”的文件。这些文件大体公开了采用接触光刻将有源激光区域朝着波导对准，实现了好于2微米的的对准精度。转到IEEE J.Sel.TopicsQuantum Electron,vol.5,issue3,pp.520-529,1999中出版的，作者为Boucart等人，标题为“Metamorphic DBR and tunnel-junction injection：A CW RTmonolithic long-wavelength VCSEL”的文件，描述了硅上的III-V光源。该文件公开了长波长、垂直腔、表面发射激光器（VCSEL）的制造，其单片集成在磷化铟（InP）晶片上，能在室温下操作，并且具有隧道结用于减小在运行期间持续的损耗。该文件没有设法解决有关于耦合到光学结构（诸如波导，特别是基于硅平台的那些光学结构）的化合物半导体的对准的议题/问题。
在以上每个文件、Journal of Optics,vol.12,065003,2010中公开的，作者为Baumann等人，标题为“Design and optical characterisation of photoniccrystal lasers with organic gain material”以及Appl.Phys.Lett.,vol.91,171108,2007中公开的作者为Baumann等人，的标题为“Organic mixed-order photoniccrystal lasers with ultrasmall footprint”中，报道了在二维光子晶体上的旋涂有机增益材料。尽管适用于有机增益材料，但旋涂相对于固态增益材料（例如，III-V材料系统）不兼容。
US 2008/0002929A1描述了用于电泵浦混合倏逝激光器的设备和方法。一个示例是，该设备包括设置在硅中的光波导。有源半导体材料设置在光波导之上，限定光波导和有源半导体材料之间的倏逝耦合界面，使光波导要引导的光模与光波导和有源半导体材料二者重叠。电流注入通道限定为通过有源半导体材料并与光模至少部分重叠，使得光响应于有源半导体材料的电泵浦而产生，有源半导体材料的泵浦响应于沿着与光模至少部分重叠的电流注入通道的电流注入。在该文件中，有源半导体材料产生的光倏逝地耦合到构成无源组件的硅波导。因为有源半导体材料相对于硅波导遥远地设置，所以可能的是所产生的光相对于无源组件的位置相对地不变化。再者，可能的是所产生的光与有源半导体材料的重叠相对小，并且因此可预料本文件的教导是基于混合的操作模式，即具有相对较小的有源模式的主无源模式。这样的混合操作模式可导致相对较高的阈值电流和较低的光学输出水平。在本文件中可以不考虑并且实际上不解决对准问题，因为所产生光的位置由下面的硅波导的位置决定。有源半导体材料相对于下面的硅波导的定位在此情况下可通过具有微米级精度的接触光刻而有利于实现。
US 2008/0198888A1公开了将在硅波导上接合化合物半导体的方法，用于获得硅基板之上的激光器。该文件有关于基于化合物半导体材料系统的光源相对于硅基板的异质集成，而不是单片集成。此外，这样的异质集成通过具有关联的微米范围的对准公差的光学接触光刻实现。
US2009/0245298A1公开了一种硅激光器集成装置，包括：在顶表面中包括至少一个波导的绝缘体上硅基板；以及包括增益层的化合物半导体基板，该化合物半导体基板经受了混合集成工艺，其中化合物半导体基板的上表面接合到绝缘体上硅基板的顶表面。该文件涉及化合物半导体基板的表面相对于绝缘体上硅基板的混合/异质集成，而不是单片集成。化合物半导体基板和绝缘体上硅基板之间的对准通过光学接触光刻实现，其具有关联的微米级对准公差。根据所制造结构的指数对比，可能的是，激光源/化合物半导体组件产生的光主要限定在硅中而以相对小的比例限定在化合物半导体内，其可用于限制激光器的效率且产生相对增加的功耗。
US5703896公开了一种用于发射变化颜色光的设备，包括：激光层，由结晶硅量子点形成，结晶硅量子点形成在氢化硅的隔离矩阵中；所述量子点形成在三个块中；所述三块的每一个其中具有不同尺寸的量子点，以因此产生三种不同颜色的光；在所述激光层下方的p型半导体的势垒层，所述p型半导体选自组GaP、SiC、GaN、ZnS；在所述势垒层下方的基板构件；在所述激光层上方的n型半导体层，所述n型半导体层选自组GaP、SiC、GaN、ZnS；在所述基板构件下方的正电位接触，三个负电位接触；所述三个接触的每一个为在所述三个斑点的不同块之上；所述三个接触的每一个与所述正接触一起作用以选择性对三个块的不同斑点加偏压；围绕所述三个块的同心光栅的三个部分；所述部分的每一个具有对应于由所述三个块的相邻一个产生的彩色光的径向周期；并且所述部分的每一个共振由所述相邻块发射的光子以激发相干光发射。该文件有关于在硅中制造硅量子点。它没有设法解决基于诸如III-V材料系统的化合物半导体的光源/激光源相对于光学结构（诸如基于硅平台的光子结构和/或光波导）的单片集成。
US2007/0105251公开了一种激光器结构，包括：至少一个有源层，包括掺杂的Ge，以由Ge的直接带隙产生约1550nm的光发射；第一限制结构，设置在所述至少一个有源层的顶部区域上；以及第二限制结构，设置在所述至少一个有源层的底部区域上。该文件似乎大体有关于VCSEL装置。它似乎没有设法解决实现与诸如基于硅平台的波导的光学结构单片集成且光学耦合的基于化合物半导体材料系统的纳米级对准所面临的挑战。
US2007/0104441公开了一种集成光电探测器设备，包括：（a）基板，包括设置在基底层之上的第一覆层，基底层包括第一半导体材料，第一覆层限定延伸到基底层的开口；（b）光波导，包括第一半导体材料且设置在基板之上；以及（c）光电探测器，包括第二半导体材料，外延生长在基底层之上至少在开口中，光电探测器包括光学耦合到波导的本征区域，本征区域的至少一部分延伸在第一覆层之上且与波导横向对准。所公开的制造方法有关于锗光电探测器，其横向耦合到多晶波导且通过专用的、多步骤的对准程序与多晶波导对准。该文件没有设法解决如何使化合物半导体基光源可相对于基硅平台的集成光学以纳米级对准公差单片集成和/或对准。
US5259049公开了一种电-光装置，包括：基板；激光器，生长在所述基板上，并且具有有源区域、蚀刻的镜面和其上的激光器脊，其中激光器脊的形状转移到所述基板以形成基板脊，所述激光器产生光束；以及光波导，耦合到镜面，并且设置在所述基板脊上，以通过所述基板脊横向对准所述激光器脊，有效地成形所述激光器产生的光束的所述光波导包括生长在所述基板脊的顶上的下覆层、设置在所述下覆层的顶上的波导芯以及设置在所述波导芯的顶上的上覆层，其中所述覆层和所述波导芯包括折射率匹配激光器折射率的材料，其中所述上覆层和下覆层具有近似相同的折射率，并且其中波导芯的折射率和所述上覆层的折射率之差分别等于所述激光器的有源层和上覆层的折射率之差。该文件公开的装置中事先制造的激光器耦合到波导结构。波导结构设置在激光器的顶上，并且通过与激光器关联的脊特征与激光器对准。
US6163639公开了一种工艺，用于将光学元件的连接器适配到集成光线路，集成光学电路通过连接至少一个光学元件到该线路而构成，使每个元件的输出和/或输入与该线路的输入和/或输出近似设置在相同的平面上，该线路的输入和/或输出也设在相同的平面上，其特征在于该工艺包括下面的步骤：电路设置在具有图案的模板上，该图案能使光学元件与电路的输入和/或输出随后精确对准，能保持光学元件的至少一个能够保持住光学元件的阻块（block），设置在模板上面对电路的输入和/或输出且固定到该电路；去除模板，并且光学元件设置在每个阻块中，阻块随后与线路的输入和/或输出对准。该文件公开了光学有源光子线路朝着波导部分的无源对准方法。该文件中的无源光学部件的上下文内包括波导或纤维，而不是腔和/或纳米光学芯片级波导。关于无源光学部件，它们插入设置在主基板上的专用对准标记中。对准标记是蚀刻在主基板中的v-槽，这可意味着对准公差依赖于光刻。总的来说，该文件没有设法解决基于化合物半导体材料系统的光源相对于基于硅平台的集成光学单片集成，而是有关于提供块体光子部件与光子纤维的混合集成。所描述的方法可认为类似于耦合有源的基于III-V的芯片与二氧化硅玻璃纤维的封装方法。所描述方法的对准公差可能不足以用于相对大指数对比集成的光子部件。
US2004/0218648A1公开了一种激光二极管，包括：基板；下材料层，形成在基板上；共振层形成在下材料层上，上材料层形成在共振层上且在顶部具有脊，埋设层具有对应于上材料层的脊的接触孔；保护层，由与埋设层的材料不同的材料形成，并且具有对应于埋设层的接触孔的开口；以及上电极，形成在保护层上以通过接触孔接触脊的上表面。该文件公开了用于低泄漏激光二极管的装置结构和制造方法。所描述的对准工艺仅涉及激光二极管的电子注入部分而不涉及用作光源/激光器的材料相对于包括集成光学的材料的关系。也没有解决如何可实现激光器和周围光学介质/集成光学之间的光学耦合。
参见Optics Express,vol.19,9221,2011中公开的，作者为Halioua等人，的标题为“Hybrid III-V semiconductor/silicon nanolaser”的文件，其中光泵浦一维光子空腔激光器垂直耦合到预先构型的直硅波导。激光器相对于硅波导的对准通过采用硅波导中形成的标记的电子束光刻实现，其潜在地实现了好于50nm的覆盖精度。尽管<50nm的对准精度远好于光学接触光刻所能实现的对准精度，但是它可能仍然不能认为是适合于例如，高质量因子，低模态体积的微共振器。此外，电子束光刻是劳动密集、耗时的和昂贵的。
因此，相对于周围无源光学/光子结构/部件（诸如波导和空腔）单片集成具有相对高的非线性、光学增益、光发射的光学有源材料是个挑战。还希望这样的任务执行为具有纳米级对准公差且不采用专用的对准步骤/光刻工艺执行对准程序，并且从而与批量制造相兼容。
发明内容
根据本发明第一方面的实施例，提供一种半导体装置，用于在至少一个光学应用中使用，包括：至少一个实质上以光学无源模式可操作的光学无源组件（optically passive aspect）；以及至少一种光学有源材料，包括实质上以光学有源模式可操作的至少一种材料，其中：光学无源组件图案化为包括具有至少一个预限定结构的至少一个光子结构，并且光学有源材料形成在预限定结构中以在至少一个横向平面中与光学无源组件实质上自对准。在本发明的实施例中，光学有源材料生长在图案在光学无源组件中的光子结构的预限定结构中。这样，光学有源材料相对于光学无源组件在至少一个横向平面中实质上自对准且光学耦合。可进行光学有源材料相对于光学无源组件和/或其特征的对准而不需要专用的对准步骤和/或设备。因为光学有源材料形成在预限定结构中，该预限定结构是关于光子结构提供的且为光子结构固有的结构特征，所以光学有源材料相对于光学无源组件和/或其特征设置的精度可取决于图案化具有光子结构及其特征的光学无源组件时使用的掩模精度或各蚀刻工艺。因此，光学有源材料可以以低至几个纳米（例如5nm）的精度相对于光学无源组件横向对准，而不需要劳动密集、耗时和昂贵的设备（例如，电子束光刻），同时也适合于批量制造。在本发明的实施例中，首先制造包括预限定结构的光子结构，然后在预限定结构中形成光学有源材料。因此，通过其提供光子结构的制造步骤可认为是执行双重功能。双重功能的基础是光子结构的预限定结构：首先，它提供光学有源材料的生长位置以有助于光学有源材料和光学无源组件之间的光学耦合，其次，它便于本发明实施例的自对准特征。光学无源组件也可表示为半导体装置的光学无源区域。
优选地，光学有源材料实质上选择性地形成在预限定结构中。在本发明的实施例中，光学有源材料形成在本发明实施例的光子结构的预限定结构中、该预限定结构是关于光子结构提供的且为光子结构固有的结构特征。该特征可被认为是延伸了有助于光学有源材料相对于光学无源组件单片集成的优点，与前面提出的技术相比相对容易实施。
可替换地，且希望地，光学有源材料相对于光学无源组件形成为超过预限定结构的至少一个区域。该特征可提供容易形成光学有源材料的优点，因为它不需要正好形成在预限定结构中和/或相对其形成。在此方面，且优选地，去除多余的光学有源材料使光学有源材料至少提供在预限定结构中。多余的光学有源材料希望由湿化学蚀刻或化学机械抛光去除。
优选地，预限定结构的至少一个结构特征被选择为由此有助于光学有源材料相对于光学无源组件实质上自对准。通过对预限定结构的诸如宽度、高度和/或其形状的一个或多个结构特征的进行适当选择，本发明实施例的自对准特征可进一步改善和/或提供为例如适于本发明实施例的应用。此外，通过这样的选择可解决光学有源材料和光学无源组件各自所用的材料/材料系统之间的任何晶格失配。
希望地，预限定结构是沟槽、孔或其组合。预限定结构是关于光子结构提供的结构特征，并且在本发明的实施例中选择为沟槽、孔或其组合。因为这样的特征可关于位置和/或结构特征相对容易和/或精确地提供，所以它们延伸至本发明的实施例的自对准特征易于实施以及多功能性的优点，这是由于其形状和/或尺寸（典型地在10纳米至10微米的范围内）可适合于目标特定装置。
优选地，预限定结构提供在光学无源组件的给定位置。关于光学有源材料与光学无源组件的自对准和光学耦合，光学有源材料本地形成在提供在光子结构中的预限定结构中而不是形成在光学无源组件的整个表面上。例如，预限定结构可形成在光子结构的预期通过光学有源材料集成激光源/光源的位置。本发明实施例的该特征可延伸本发明实施例易于设计、制造和实施的优点，因为光学有源材料按希望的那样相对于光学无源组件提供而不是一般地提供，后者需要进一步的工艺步骤从预限定结构之外的那些区域去除光学有源材料。
希望地，光学有源材料可操作为执行光的产生、探测、调制或其组合。该特征可有助于增加功能性和本发明的实施例对不同的光学系统的应用。
优选地，光学有源材料包括以下所列项目中的至少一种：III-V材料系统、II-VI材料系统、至少一种硅纳米粒子、至少一种硅量子点、锗及其包括砷化镓、锑化镓、氮化镓、磷化铟、铟铝砷化物、铟砷磷化物、铟镓磷化物、磷化镓、铟镓砷化物、铟镓砷磷化物至少之一的异质结构、以及有机材料系统。希望地，光学有源材料包括晶体、多晶或非晶材料。本发明的实施例不限于用于光学有源材料的特定材料/材料系统，实际上，光学有源材料可采用不同的且广泛范围的材料，该特征可根据其中可采用本发明实施例的装置和/或光学系统/应用而提供增加功能性的优点。适当的材料堆叠和/或量子点包括在本发明用于光学有源材料的范围内。
优选地，光学无源组件包括提供在至少一个籽层上的多层结构。在本发明的优选实施例中，多层结构包括设置在绝缘体层上的至少一个硅层，并且籽层包括体硅。其它适当的材料堆叠也包括在本发明用于光学无源组件的范围内。
希望地，光学无源组件包括以下所列项目中的至少一种：硅、III-V化合物半导体、锗、砷化镓、锑化镓、氮化镓、磷化铟、铟铝砷化物、铟砷磷化物、铟镓磷化物、磷化镓、铟镓砷化物、铟镓砷磷化物、氧化铝、五氧化钽、二氧化铪、二氧化钛、二氧化硅、氮化硅和氧氮化硅。本发明的实施例不限于用于光学无源组件的特定材料/多重材料，实际上，光学无源组件可采用不同的和广泛范围的材料，该特征可根据其中可采用本发明实施例的装置和/或光学系统/应用而提供增加功能性的优点。
优选地，光学无源组件包括至少一个光波导和光学腔。在本发明的实施例中，光学无源组件可包括用于将来自预限定结构光传输和/或耦合到希望的位置的光波导以及用于形成激光器的腔，从而允许光学有源材料产生的光子通过增益介质，由此产生受激发射。
希望地，本发明的实施例包括通过光学有源材料的交替层实施的至少一个垂直腔表面发射激光器。该特征包括用于通过垂直腔特征光学耦合光学有源材料与光学无源组件的耦合方案。具体而言，建议垂直腔表面发射激光器具有形成电介质的布拉格反射器（Bragg reflectors）的光学有源材料的交替层。该特征的优点可为可按希望通过改变镜反射性（即，采用更多或更少的光学有源材料的交替层）而调整耦合特性。该特征的进一步优点可以是：在希望节省横向平面中的空间的光学系统/应用中易于本发明实施例的集成/实施。在此方面，且优选地，垂直腔表面发射激光器的至少一个发射区域相对于光学无源组件定位成使得垂直腔表面发射激光器产生的光实质上耦合在以下所列项目中的至少一个中：相对于光学无源组件的表面的垂直平面以及横向在光学无源组件的面内方向上。通过该特征，光可从垂直腔表现发射激光器耦合在希望的平面中或相对于光学无源组件的平面中，并且因此可延伸其中可采用本发明实施例的应用/光学系统的范围加宽的优点。
希望地，光学无源组件在纵向平面中的至少一个截面小于预限定结构的对应截面，因此有助于光学有源材料产生的光实质上耦合到光学无源组件。该特征提供为关于第一耦合方案，第一耦合方案用于通过横向腔特征光学耦合光学有源材料与光学无源组件。因为光学无源组件在纵向平面中的截面选择为小于预限定结构的对应截面，所以光学有源材料产生的光较好地限定在光学无源组件内。因此，该特征可延伸改善光学耦合效率和改善装置性能的优点至本发明实施例。关于前面描述的特征，优选地，光学无源组件包括在其较小截面和预限定结构之间的渐缩区域。渐缩特征可用于有利于匹配基于光学有源材料的光源和光学无源组件的各自的模态尺寸，例如，其中光源为III-V材料系统，并且光学无源组件包括硅光波导。这样，可进一步改善本发明实施例的模态增益。
希望地，在本发明的选择性实施例中，光学无源组件在纵向平面中的截面与预限定结构的对应截面实质上具有相同的尺寸。可能需要较少的工艺源来制造其中光学无源组件和预限定结构实质上相同的本发明实施例。因此，该特征可延伸易于制造和/或实施的优点至本发明实施例。
优选地，且关于光学耦合光学有源材料和光学无源组件与横向腔特征的第一耦合方案，光学无源组件包括线波导（wire waveguide）。该特征可延伸易于制造和/或集成的优点，因为线波导，特别是硅线波导，可通过确立的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺制造。
在横向腔特征的可替换实施方式中，提供用于光学耦合光学有源材料与包括至少一个一维光子晶体腔的光学无源组件的第二耦合方案，其中周期性的孔形成在光子结构的面内方向上并且在光子结构的一区域中，在该区域中光学有源材料产生的光实质上耦合到光学无源组件。因为实施为一维光子晶体腔的横向腔的模态体积和/品质因数可更好地控制，所以对应的优点通过前述特征延伸至本发明实施例。在一维光子晶体腔的第一实施方式中，它可在光学无源组件中形成为无啁啾效应的和无尖削的（un-chirped andun-tapered）。在此情况下，光学无源组件可实施为在纵向平面中的截面小于本发明实施例的预限定结构的截面，光学无源组件通过减缩宽度连接到预限定结构。有关前述第一实施的优点包括：易于实现，在光学无源组件中更好地限制光，以及有助于匹配光学有源材料和一维光子晶体腔的各自模式。在一维光子晶体腔的第二实施方式中，光学无源组件在纵向平面中的截面与预限定结构的对应截面为实质上相同的尺寸。这样的第二实施方式可提供这样的优点，较少的工艺源可便于产生这样的结构，因为光学无源组件和预限定结构在纵向平面中具有实质上相同的尺寸。
在横向腔特征的可替换实施方式中，提供用于光学耦合光学有源材料与包括至少一个二维光子晶体腔的光学无源组件的第三耦合方案，在二维光子晶体腔中，周期性的孔形成在光子结构的两个面内方向上。利用实施为二维光子晶体腔的横向腔可实现甚至更好地控制两个面内方向上的模态体积和/或品质因数，并且因此对应的优点可延伸至本发明的实施例。在此方面，希望地，提供至少一个光子晶体波导，光子晶体波导构造为将光学有源材料产生的光耦合到至少一个希望的位置，该特征可提供光学有源材料产生的光到所希望位置的改善的光学耦合，并且因此有助于改善本发明实施例的装置性能。
关于包括一维光子腔或二维光子腔的本发明实施例，优选地，周期性的孔实质上具有相同的尺寸。该特征具有有关易于制造和/或实施的优点，并且因此给予本发明实施例以这样的对应优点。
关于包括一维光子腔的本发明实施例，至少某些周期性的孔的孔尺寸希望地减缩，以在远离预限定结构的方向上逐步增加到给定的尺寸。该特征可有助于腔模式的模式成形以及较高的品质因数值。
在横向腔特征的可替换实施方式中，提供于光学耦合光学有源材料与光学无源组件的第四耦合方案用，其中本发明的实施例还包括至少两种材料的交替层的环形光栅（circular grating），该两种材料之一的折射率低于该两种材料中的另一个，预限定结构位于环形光栅中的缺陷内。这样的横向腔设计可提供方位对称，导致实质上对于所有面内k向量的带隙。此外，这样的腔设计可有助于实现较高的品质因数值，例如，106。
还提供对应的方法方面，并且因此根据本发明第二方面的实施例，提供制造在至少一个光学应用中使用的半导体装置的方法包括：提供至少一个实质上以光学无源模式可操作的光学无源组件，以及提供至少一种光学有源材料，包括至少一种实质上以光学有源模式可操作的材料，其中：光学无源组件图案化为包括具有至少一个预限定结构的至少一个光子结构，并且光学有源材料形成在预限定结构中以至少在横向平面中与光学无源组件实质上自对准。
附图说明
现在将参考示例性的附图，其中：
图1示出了本发明的实施例的侧视图；
图2A至2C示出了本发明的实施例的制造阶段；
图3A和3B示出了本发明的实施例中具有横向腔特征的第一耦合方案；
图4A至4E示出了本发明的实施例中具有横向腔特征的第二耦合方案；
图5示出了本发明的实施例中具有横向腔特征的第三耦合方案；
图6示出了本发明的实施例中具有横向腔特征的第四耦合方案；以及
图7A和7B示出了具有垂直腔特征的耦合方案。
具体实施方式
在说明书内，采用相同的附图标记或符号表示相同的部件等。
现在参见图1，图1示出了根据本发明第一方面的实施例的半导体装置1，其包括至少一个光学无源组件或装置区域2，当半导体装置1处于使用中时，其是实质上以光学无源模式可操作的，光学无源模式用于传输和/或耦合来自给定位置的光到所希望的位置，而不是用于产生、放大、探测和/或调制光。光学无源组件2图案化为包括具有至少一个预限定结构5的至少一个光子结构4。在本发明的优选实施例中，光学无源组件2包括至少一个光波导3和光学腔4’。光学腔4’可以是：通过本发明实施例中的反射器和/或共振器实施，并且形成为光子结构4的构成特征。
还提供至少一种光学有源材料6，包括至少一种实质上以光学有源模式可操作的材料。关于光学有源材料6，选择为适合于光的产生、放大、探测和/或调制。光学有源是指光学有源材料6具有促进光发射、光学增益和/或相对高的非线性的特性，使其适合用于制造调制器，或者具有相对高的吸收属性使其适合用于制造探测器。光学有源材料6形成在预限定结构5中，并且因此光学有源材料6至少在一横向平面中与光学无源组件2（特别是其诸如光波导3的特征）光学耦合且实质上自对准。
在本发明的实施例中，预限定结构5是光子结构4中的光子腔。光子腔优选为沟槽、孔或其组合。预限定结构5的至少一个结构特征（诸如其宽度、高度和/或形状）可被选择以因此有助于光学有源材料6相对于光学无源组件2的自对准的所希望的调整。在本发明的优选实施例中，预限定结构5的宽高比（即，预限定结构5的高度对其宽度/直径的比）选择为大于1，更优选地，大于3。在本发明的实施例中，宽高比大体选择为有助于缺陷的宽高比诱捕（aspect ratio trapping），缺陷由于光学有源材料6和光学无源组件2所用的各自的材料/材料系统之间的晶格失配引起。在本发明的优选实施例中，预限定结构5的高度选择为1000nm，并且其宽度/直径选择为250nm。本发明的实施例当然不限于预限定结构5的宽高比、高度和/或宽度尺寸的给定示例，实际上，可采用落入本发明范围内的任何其它的尺寸。
在本发明的实施例中，预限定结构5设置在光学无源组件2的给定位置。关于光学有源材料6与光学无源组件2的自对准和光学耦合，光学有源材料本地形成在设置在光子结构4中的预限定结构5中，而不是形成在光学无源组件2的整个表面上方。为此，预限定结构5形成在光子结构4中预期通过光学有源材料6集成激光器/光源的位置。
在本发明的实施例中，预限定结构5可为包括绝缘材料或阻挡p-n结（blocking p-n junction）的孔隙。绝缘材料形成在预限定结构5的外壁上，并且可选自以下所列项目之一：硅、锗、砷化镓、锑化镓、氮化镓、磷化铟、铟铝砷化物、铟砷磷化物、铟镓磷化物、磷化镓、铟镓砷化物、铟镓砷磷化物、氧化铝、五氧化钽、二氧化铪、二氧化钛、二氧化硅、氮化硅和氧氮化硅。当然，本发明的实施例不限于采用这样的材料，而是任何其他合适的用于预限定结构5的阻挡p-n结材料或者绝缘材料均包括在本发明的范围内。
关于在预限定结构5中形成光学有源材料6，本发明的实施例中提出两种方法。在一种方法中，进行选择性外延生长，其中光学有源材料6实质上选择性地形成在预限定结构5中。在另一方法中，进行光学有源材料6的高度选择性外延生长，其中光学有源材料6相对于光学无源组件2的其中形成有预限定结构5的表面形成以至少超过预限定结构5的区域。因此，光学有源材料6相对于光学无源组件2形成以至少形成在预限定结构5中及其周围。去除多余的光学有源材料6，多余的光学有源材料6可以是在预限定结构5周围和/或在光学无源组件2上的任何光学有源材料6，使光学有源材料6提供在预限定结构5中。多余的光学有源材料6的去除可通过湿化学蚀刻、化学机械抛光或用于该目的的任何适当的方法进行。
在本发明的实施例中，对于光学有源材料6，可采用宽泛的和多种的材料和/或材料系统，例如，III-V材料系统、II-VI材料系统、至少一种硅纳米粒子、至少一种硅量子点、锗及其包括砷化镓、锑化镓、氮化镓、磷化铟、铟铝砷化物、铟砷磷化物、铟镓磷化物、磷化镓、铟镓砷化物、铟镓砷磷化物中的至少一种的异质结构、以及有机材料系统。关于有机材料系统，激光染料和/或其它相对高非线性聚合物包括在本发明的范围内。在这方面，那些具有相对低的振荡波长和相对大的激子半径的聚合物可显示相对高的非线性，并且因此被认为包括在本发明的范围内。对于光学有源材料6，诸如晶体硅的晶体材料、诸如多晶硅的多晶材料或者诸如非晶硅、非晶钛酸钡的非晶材料可用在本发明的实施例中。前述的材料/材料系统作为示例给出。本发明的实施例不限于使用它们，而是可落入本发明的光学有源材料6的范围内的任何其它材料/材料系统均被认为是包括在本发明的范围内。通常，对于光学有源材料6，那些具有带隙特性使得它们显示相对高的非线性（即，相对高的光学增益和相对高的吸收），适合于给定目标波长限定的给定应用的材料/材料系统可用在本发明的实施例中。
再一次参见图1，光学无源组件2可实施为包括提供在至少一个籽层7上的多层结构3’、3”。在本发明的优选实施例中，多层结构包括设置在下方的绝缘体层3”上的至少一个最上方硅层3’，并且籽层7包括体硅。光学无源组件2的光波导组件3实质上在多层结构3’、3”的最上方硅层3’中图案化。通过在预限定结构5中形成光学有源材料6，光学有源材料6与光学无源组件2（具体的，光波导3）实质上横向自对准，如从图1可清楚看到的。
在本发明的实施例中，光学有源材料6可选择为具有实质上与光学无源组件2（具体的，光波导3）的透射范围（transmission range）匹配的发射波长。作为示例，如果光波导3包括硅波导，光学有源材料6可选择为具有大于1100nm的透射范围。在这方面，当光学有源材料6为：覆盖有GaAs的InAs量子点；（In,Ga）As、（In,Ga）（As,N）或（In,Ga）（As,N,Sb）、（In,Ga）（As N）量子阱；InGaAsP量子阱；InAsP量子阱；NAsP或其它III-V化合物材料时，可获得这样的波长范围。
现在参见图2A至2C，其示出了根据本发明第一方面的实施例的制造阶段。由图2A可见，包括周期性的孔4’的光子结构4形成在光学无源组件2中。周期性的孔4’可包括折射率低于光子结构4所用材料的材料，例如，空气。
光子结构4还形成为包括预限定结构5，在本示例中，其示出为直径大于周期性的孔4’的孔5。在本示例中，光学无源组件2包括设置在籽层7上的多层结构3’、3”，该多层结构包括提供在下面的绝缘体/埋设氧化物层3”上的最上方硅层3’，籽层7为体硅，如前面参考图1所描述。光子结构4形成在多层结构3’、3”中使得周期性的孔4’形成在最上方硅层3’中，给出至下面的绝缘体/埋设氧化物层3”的入口。然后如图2B所示，在预限定结构5的位置执行诸如蚀刻的光刻步骤以打开绝缘体/埋设氧化物层3”且给出至籽层7的入口，这样的选择性蚀刻例如通过用光致抗蚀剂覆盖除了光学无源组件2的预限定结构5外的实质上全部而实现。在这方面，对准公差因不侵蚀硅3’、7而侵蚀绝缘体/埋设氧化物层3”的选择性蚀刻工艺而相对非严格（non-stringent）。如图2C所示，光学有源材料6，其在本示例中基于III-V材料系统，选择性地生长在预限定结构/氧化物孔隙5中。可选择地，且关于图2C，光学有源材料6也可生长在光学无源组件2的表面上其中形成有预限定结构5的更大区域上，然后采用光刻和如前面提到的非严格对准公差从除了预限定结构5之外的所有位置去除多余的光学有源材料6。
通常，且关于本发明的实施例，光源可仅设置在光学有源材料6中且显示出光学的或电学的泵浦发射（pumped emission）。尽管硅因其间接的带隙而不显示出足够的光致发光效率，但是它提供相对低的传播损耗和色散。此外，硅可采用确立的CMOS工艺制造，这使硅用作波导材料可易于集成且以有成本效益的方式制造因为引人关注。因此，在优选实施例中，光学有源材料6基于基于III-V的材料系统，并且光波导3通过硅波导实施。在这方面，光学有源材料6产生的光必须传输到硅波导3，其以下面描述的不同耦合方案进行。
现在参见图3A和3B，其示出了本发明的实施例中具有横向腔特征的第一耦合方案。如图3A所示，硅波导3在纵向平面（longitudinal plane）中的截面小于预限定结构5的对应截面，在本示例中其示出为孔状。该特征有助于基于III-V的光源6产生的光实质上耦合到且更好地限制在硅波导3内。在如图3B所示的本发明实施例的变型中，渐缩区域8提供在硅波导3的较小截面和预限定结构5之间。渐缩特征8可用于有利于匹配基于III-V的光源和硅波导3的各自的模态尺寸，这绝热地使光的模态尺寸逐渐变细。
现在参见图4A至4E，其示出了具有横向腔特征的第二耦合方案，用于光学耦合基于III-V的光源6到硅波导3。第二耦合方案基于包括至少一个一维光子晶体腔10的光子结构4，其中周期性的孔4’形成在光子结构4的面内方向上并且在光子结构4的一区域中，在该区域中基于III-V的光源6产生的光实质上耦合到硅波导3。使用诸如硅和III-V材料的相对高反射性的材料有助于通过折射率引导（index-guiding）的垂直和面内限制。根据本发明实施例的第二耦合方案不限于如图4A至4E中任何一个所示的在硅波导3中形成一维光子腔10。实际上，周期性的孔/反射器4’部分地位于光源6所基于的III-V材料系统中并且部分地位于波导3所基于的硅中的混合腔也被认为包括在本发明的范围内。
如清楚可见的，图4A和对应的图4B有关于当预限定结构5实施为沟槽的情况，而图4C和对应的图4D涉及预限定结构5实施为孔的情况。在图4A至4D中，可以看到，硅波导3实施为在纵向平面中具有小于预限定结构5的对应尺寸的截面，并且硅波导3在其连接到预限定结构5之处具有渐缩宽度8。在图4A和4C中，周期性的孔4’实质上具有相同的尺寸。有关于图4A和4C所示的本发明实施例的优点包括：由于周期性的孔4’实质上具有相同的尺寸因此易于实施，由于硅波导3与预限定结构5相比具有较小的纵向平面中的截面因此光较好地限制在硅波导3中，以及通过硅波导3的渐缩区域8有助于匹配基于III-V的光源6和一维光子晶体腔10的各自模式。相比于图4A和4C，在图4B和4D所示的本发明实施例中，周期性的孔4’实施为在远离预限定结构5的方向上逐渐增加到给定的尺寸，例如，其中在纵向平面中该给定尺寸可实质上与硅波导3的宽度相容。除了前面参考图4A和4C描述的优点外，这样的实施方式的优点还在于逐渐变小的孔有助于腔模式的模式成形和较高的品质因数值。
图4E示出了一维光子晶体腔10的第二实施方式，其中在纵向平面中硅波导3的截面实质上与预限定结构5的对应截面具有相同的尺寸。这样的第二实施方式可提供的优点在于：由于硅波导3和预限定结构5具有实质上相同的纵向平面中的尺寸因此较少的工艺源可便于产生这样的结构。因为光子结构4的周期性的孔4’实施为在远离预限定结构5的方向上逐步增加到给定的尺寸，所以如图4E所示的本发明实施例可提供的进一步优点在于腔模式的模式成形和较高的品质因数值。
在横向腔特征的可替换实施方式中，如图5所示，提供用于光学耦合基于III-V的光源6与硅波导3的第三耦合方案，其中光子结构4包括二维光子晶体腔20，其中实质上相同尺寸的周期性的孔4’形成在光子结构4的两个面内方向上。在此方面，在二维光子晶体腔20内，由形成在预限定结构5中的III-V材料，对应于基于III-V的光源6实施的位置，形成缺陷。基于III-V的光源6产生的光限制在缺陷内；光通过光子晶体波导21耦合到希望的位置。
在如图6所示的横向腔特征的可替换实施方式中，提供用于光学耦合基于III-V的光源6与硅波导3的第四耦合方案。如第四耦合方案的一个示例所示，硅波导3包括至少两种材料的交替层30’、30”的至少一个环形光栅30，该材料之一的折射率低于该两种材料中的另一者，预限定结构5设置在环形光栅30中的缺陷内。在如图6所示的本发明实施例中，腔反射镜（cavitymirror）30’、30”可采用包括缺陷的III-V材料而全部形成在硅/波导材料3中。腔反射镜30’、30”可采用电介质和/或非III-V材料系统（例如二氧化硅）的交替层形成。硅的环境折射率（surrounding refractive index）为约3.48，而缺陷优选具有较低的折射率，最优选低于3.4。此外，硅波导3包括可有助于匹配各自的腔模式和波导模式的渐缩区域8。
现在参见图7A和7B，其示出的用于光学耦合基于III-V的光源6到基于垂直腔特征40的硅波导3的耦合方案。在本发明的实施例中，垂直腔特征40通过垂直腔发光结构（诸如垂直腔表面发射激光器）实施。垂直腔表面发射激光器40通过III-V材料的交替层40’、40”实施，其形成电介质的布拉格反射器/反射镜41。堆叠的多层40’、40”具有交替的折射率，并且典型它们带隙也不同，因此有助于布拉格反射器41具有接近于统一反射（unityreflection）。这有助于本发明实施例要制造的相对低的低阈值、高功率的垂直发射激光器和/或发光二极管。
图7A示出了本发明的实施例，其中垂直腔表面发射激光器40的发射区域42为使它产生的光实质上耦合在相对于硅波导3的表面的垂直平面中。在此方面结合图1参看图7A，垂直腔表面发射激光器40形成在光学无源组件2的多层结构3’、3”的最上方硅层3’上。
图7B示出了本发明的实施例，其中垂直腔表面发射激光器的至少一个发射区域42为使其产生的光实质上横向地耦合在硅波导3的面内方向上。在此方面，结合图1参看图7B，垂直腔表面发射激光器40形成在籽层/体硅层7上。与图7B所示的本发明实施例相关的优点在于有助于顶和底反射镜41’。相反，在如图7A所示的本发明实施例中仅有助于顶部面镜41’。
图7A和7B所示的各垂直腔的设计可单独实施或者结合此前参考图3至6描述的横向腔特征中的任何一个实施。此外，图7A和7B中的反射镜/反射器可通过高对比度光栅而不是电介质的布拉格反射镜实施，这可有助于要促进的更紧凑的结构。III-V材料/光学有源材料6的生长位置由预限定结构5的位置决定，这分别在金属有机化学气相沉积和分子束外延生长期间限定气体和分子前驱体的接入点（access point）。
关于光学耦合基于III-V的光源6到硅波导3，具有III-V/硅混合共振器和/或三维腔的混合结构可预期在本发明实施例的范围内。
本发明已经仅通过示例进行了描述，并且在本发明的范围内可进行细节的变型。
说明书以及权利要求和附图中公开的每个特征在适当的情况下可独立提供或者以任何适当的组合提供。

Claims (27)

1.一种至少在光学应用中使用的半导体装置（1），包括：以光学无源模式实质上可操作的至少一个光学无源组件（2），以及至少一种光学有源材料（6），该光学有源材料（6）包括至少一种以光学有源模式实质上可操作的材料，其中：该光学无源组件（2）图案化为包括具有至少一个预限定结构（5）的至少一个光子结构（4），并且该光学有源材料（6）形成在该预限定结构（5）中，以实质上在至少一个横向平面中与该光学无源组件（2）自对准。
2.如权利要求1所述的半导体装置（1），其中该光学有源材料（6）实质上选择性地形成在该预限定结构（5）中。
3.如权利要求1所述的半导体装置（1），其中该光学有源材料（6）相对于该光学无源组件（2）形成为超过该预限定结构（5）的至少一个区域。
4.如权利要求3所述的半导体装置（1），其中去除多余的光学有源材料（6）使该光学有源材料（6）至少提供在该预限定结构（5）中。
5.如权利要求4所述的半导体装置（1），其中该多余的光学有源材料（6）通过湿化学蚀刻或化学机械抛光去除。
6.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置（1），其中该预限定结构（5）的至少一个结构特征被选择由此有助于该光学有源材料（6）相对于该光学无源组件（2）实质上自对准。
7.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置（1），其中该预限定结构（5）是沟槽、孔或其组合。
8.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置（1），其中该预限定结构（5）提供在该光学无源组件（2）的给定位置。
9.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置（1），其中该光学有源材料（6）可操作为执行光的产生、放大、探测、调制或其组合。
10.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置（1），其中该光学有源材料（6）包括以下所列项目中的至少一种：III-V材料系统、II-VI材料系统,至少一种硅纳米粒子、至少一种硅量子点、锗及其包括砷化镓、锑化镓、氮化镓、磷化铟、铟铝砷化物、铟砷磷化物、铟镓磷化物、磷化镓、铟镓砷化物、铟镓砷磷化物中至少一种的异质结、以及有机材料系统。
11.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置（1），其中该光学有源材料（6）包括晶体、多晶或非晶材料。
12.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置（1），其中该光学无源组件（2）包括设置在至少一个籽层（7）上的多层结构（3’、3”）。
13.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置（1），其中该光学无源组件（2）包括以下所列项目中的至少一种：硅、III-V化合物半导体、锗、砷化镓、锑化镓、氮化镓、磷化铟、铟铝砷化物、铟砷磷化物、铟镓磷化物、磷化镓、铟镓砷化物、铟镓砷磷化物、氧化铝、五氧化钽、二氧化铪、二氧化钛、二氧化硅、氮化硅和氧氮化硅。
14.如前述任何一项权利要求所述的半导体装置（1），其中该光学无源组件（2）包括至少一个光波导（3）和光学腔（4’）。
15.如权利要求1至14任何一项所述的半导体装置（1），包括至少一个垂直腔表面发射激光器（40），该垂直腔表面发射激光器（40）通过该光学有源材料（6）的交替层（40’、40”）实施。
16.如权利要求15所述的半导体装置（1），其中该垂直腔表面发射激光器（40）的至少一个发射区域（42）相对于该光学无源组件（2）设置，使得该垂直腔表面发射激光器（40）产生的光实质上耦合在以下所列项目中的至少之一中：相对于该光学无源组件（2）的表面的垂直平面以及横向在该光学无源组件（2）的面内方向上。
17.如权利要求1至16任何一项所述的半导体装置（1），其中该光学无源组件（2）在纵向平面中的至少一个截面小于该预限定结构（5）的对应的截面，由此有助于该光学有源材料（6）产生的光实质上耦合到该光学无源组件（2）。
18.如权利要求17所述的半导体装置（1），其中该光学无源组件（2）包括在其较小截面和该预限定结构（5）之间的渐缩区域（8）。
19.如权利要求1至16任何一项所述的半导体装置（1），其中该光学无源组件（2）在纵向平面中的截面与该预限定结构（5）的对应截面实质上具有相同的尺寸。
20.如权利要求1至18任何一项所述的半导体装置（1），其中该光学无源组件（2）包括线波导（3）。
21.如权利要求18或19所述的半导体装置（1），包括至少一个一维光子晶体腔（10），其中周期性的孔（4’）形成在该光子结构（4）的面内方向上并且在该光学有源材料（6）产生的光实质上耦合到该光学无源组件（2）的区域中。
22.如权利要求1至16任何一项所述的半导体装置（1），包括至少一个二维光子晶体腔（20），其中周期性的孔（4’）形成在该光子结构（4）的两个面内方向上。
23.如权利要求22所述的半导体装置（1），包括至少一个光子晶体波导（21），该至少一个光子晶体波导（21）被构造为将该光学有源材料（6）产生的光耦合到至少一个希望的位置。
24.如权利要求21、22或23所述的半导体装置（1），其中该周期性的孔（4’）实质上具有相同的尺寸。
25.如权利要求21所述的半导体装置（1），其中至少一部分的该周期性的孔（4’）的孔尺寸是渐缩的，以在远离该预限定结构（5）的方向上逐渐增加到给定的尺寸。
26.如权利要求1至16任何一项所述的半导体装置（1），还包括至少两种材料的交替层（30’、30”）的环形光栅（30），该两种材料之一的折射率低于该两种材料中的另一者，该预限定结构（5）位于该环形光栅（30）的缺陷内。
27.一种用于制造至少在光学应用中使用的半导体装置（1）的方法，包括：提供至少一个实质上以光学无源模式可操作的光学无源组件（2），并且提供至少一种光学有源材料（6），该至少一种光学有源材料（6）包括实质上以光学有源模式可操作的至少一种材料，其中：该光学无源组件（2）图案化为包括具有至少一个预限定结构（5）的至少一个光子结构（4），并且该光学有源材料（6）形成在该预限定结构（5）中，以在至少一个横向平面中与该光学无源组件（2）实质上自对准。
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